Sensornetzwerke

Sensornetzwerke
Raphael Hahn, Oliver Neukum
Hauptseminar "Dienste & Infrastrukturen mobiler Systeme"
Wintersemester 03/04
Institut für Informatik
Ludwig Maximilians Universität München
[email protected], [email protected]
Zusammenfassung. Sensornetzwerke sind eine stark wachsende Technologie,
die immer mehr bei Umweltbeobachtungen, in medizinischen Systemen oder in
der Robotik eingesetzt werden. Die Anwendungsgebiete sind vielfältig und
spiegeln die immer größer werdende Bedeutung dieser Netzwerke wieder. Im
Folgenden soll anhand mehrerer konkreter Anwendungen ihre Vielseitigkeit
und Zukunftsträchtigkeit herausgestellt werden. Nach einer genaueren
Untersuchung der Voraussetzungen und spezifischen Anforderungen besonders
an den Energiebedarf werden verschiedene MAC-Protokolle vorgestellt sowie
das Routing in Sensornetzwerken betrachtet.
I. Einführung
Biologen des James San Jacinto Mountains Reservat in Süd-Californien gelang vor
einiger Zeit eine überraschende und unerwartete Entdeckung. Es stellte sich heraus,
dass die sich üblicherweise von Nüssen und Beeren ernährenden Eichhörnchen der
Feuchtigkeit wegen Moos zerkauen, was bisher vollkommen unbekannt war. Dies
gelang mit Hilfe eines 7.5 Quadratmillimeter großen Bewegungssensors, der eine
Miniaturkamera auslöste, von der die Aufzeichnungen stammen. Die Geräte sind Teil
einer 12 Hektar großen Anlage südwestlich von Palm Springs, USA, auf der neben
den Tierbeobachtungen auch Pflanzen- und Umweltveränderungen durch eine große
Anzahl von weit verteilten Sensoren gemessen werden [1].
Drahtlose Sensornetzwerke sind in der Tat eine stark wachsende Technologie, die
immer mehr bei Umweltbeobachtungen, in medizinischen Systemen oder in der
Robotik eingesetzt werden. Charakteristisch ist der Gebrauch von batteriebetriebenen
Sensoren, die drahtlos miteinander in Verbindung treten und so ad-hoc-Netze bilden
können. Typisch sind auch verhältnismäßig lange Horch- und Wartephasen der
einzelnen Sensoren, sowie deren Einschränkungen in den Hardwaremöglichkeiten
und damit verbundenen Problemen in der Energieversorgung. Um die Sendeleistung
der Funkmodule gering zu halten, wird für lange Übertragungsstrecken meist ein
Multi-Hop-Verfahren angewendet.
Ziel eines solchen Sensornetzwerkes ist es, mit Hilfe von vielen sehr kleinen und
billigen Knotenpunkten ein möglichst anpassungsfähiges und selbstorganisierendes
Netzwerk einzurichten, das zudem über lange Zeiträume hinweg funktionsfähig
bleiben soll.
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Im Folgenden sollen einige Beispiel-Applikationen das weite Feld der
Sensornetzwerke charakterisieren und die besonderen technischen Anforderungen
aufgezeigt werden, die vor allem den MAC-Layer und das Routing betreffen.
Verwandt mit den Sensornetzwerken ist auch der RFID Media Access, der ein
Mehrfachzugriffsverfahren auf Basis von Radiofrequenz-Identifikationstechnologie
darstellt [2]. Dies ist besonders häufig im Alltag zu finden, wie auch erste Testläufe in
Supermärkten zeigen. Hier werden alle Waren mit Tags ausgezeichnet, die der
Einkaufswagen lesen und so jederzeit den aktuellen Gesamtpreis errechnen kann.
Auch für die Logistik von Großhandelsunternehmen ist diese Technik schon lange
interessant. Aber auch beim Skiverleih mit elektronischen Zeitstempeln an den Skiern
oder Wegfahrsperren bei Autos wird schon heute RFID Media Access eingesetzt.
Trotz vieler Gemeinsamkeiten müssen diese Verfahren aber von den
Sensornetzwerken abgegrenzt werden. Während bei den Sensornetzwerken meist eine
Knoten-zu-Knoten-Kommunikation stattfindet, wird hier stets ein Lesegerät benötigt,
das unter anderem auch den Tags die benötigte Energie berührungslos zur Verfügung
stellt. Somit stellt der Energiebedarf kein besonderes Kriterium mehr dar. Auch haben
die wenigsten RFID-Tags eigene Sensoren, sondern vielmehr stellen ihre IDs die zu
lesenden Daten selber dar.
Weitere interessante Themen, die in Verbindung mit Sensornetzwerken betrachtet
werden könnten, sind die Zeitsynchronisation, die Systemsoftware, Speicher und
Datenbanktechniken, Collaborative Processing, Lokalisierungverfahren sowie die
Sicherheit. Diese Themen werden jedoch weitestgehend in anderen Zusammenhängen
diskutiert und sind weniger spezifisch auf Sensornetzwerke zu beziehen.
II. Applikationen
Militärische Anwendungen:
Eine besondere Stellung nehmen militärische Sensornetze ein, da sie zurzeit die
größte finanzielle Unterstützung erhalten und damit wie bei den meisten
hochtechnisierten Anwendungen den zivilen Forschungen weit voraus sind. Die U.S.
Department of Defense's Advanced Research Projects Agency (DARPA) legt große
Hoffnungen auf die Entwicklung von Sensornetzwerken und hat 160 Millionen Dollar
für die Forschung bereitgestellt. Hinzu kommen 500 Millionen Dollar von anderen
U.S. Regierungsbehörden.
In Zusammenarbeit mit der University of California, Berkeley, wurde so unter
anderem ein Experiment durchgeführt, in dem von Drohnen Sensoren zur
Aufzeichnung von Bewegungen von Fahrzeugen abgeworfen wurden [3].
Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Entwicklung von anfangs großen und
klobigen Sensoren hin zu sehr kleinen und vielseitigen Modulen. Die unauffälligen
Motes können in vielen Situationen eingesetzt werden, ohne die Aufmerksamkeit der
zu beobachtenden Ziele zu erregen und entdeckt zu werden.
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Fig. 1. Prototyp eines Sensor Nodes
Fig. 2. ’COTS Mote’, entwickelt an der
University of California, Berkeley
Einen ersten Eindruck vermittelt das ’Frisbee’-Modell zur Lokalisierung von
Objekten, dargestellt in Abbildung 3. Die einzelnen weit verteilten Sensoren befinden
sich die meiste Zeit in einem Schlafmodus. Entdeckt ein Sensor ein Objekt, weckt er
die anderen Knoten seiner Gruppe auf, um genauere Informationen wie
Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Typ des Fahrzeuges sammeln zu können.
Bewegt sich das Objekt weiter, schicken die Sensoren in Richtung der Bewegung
einen Wake-up-call und wecken so die nachfolgenden Gruppen. Durch diese
Zusammenarbeit kann der Pfad des Fahrzeugs aufgezeichnet werden.
Fig. 3. Das ’Frisbee’-Modell. Das Dreieck stellt das zu beobachtende Objekt dar. Die
schattierten Regionen kennzeichnen die Gruppen von Sensoren, die nacheinander aufgeweckt
werden (’Frisbees’)
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Das Anwendungsbeispiel ist allgemeiner auch unter dem Begriff ’Smart Dust’
bekannt geworden, da die Sensoren mittlerweile eine Größe erreicht haben, die einem
Staubkorn nahe kommt, und so problemlos in den Einsatzgebieten verstreut werden
können (siehe Abbildung 4). Erweiterbar ist dieses System mit unzähligen Funktionen
wie die Kommunikation mit intelligenten Minen, die auf diese Weise nicht nur das
erste Fahrzeug einer Kolonne treffen, sondern durch die Ausnutzung des gesamten
Minenfeldes einen vielfach höheren Wirkungsgrad erzielen können.
Fig. 4. Mote der University of California, Berkeley. Stand: Juli 1999. Zurzeit sind auch
Entwicklungen an Sensoren von nur 1-2 mm Größe weit fortgeschritten, die neben einer
Softgel-Batterie sogar eine Solarzelle besitzen
Diese Art von Sensorik findet heutzutage auch in zahlreichen zivilen Anwendungen
Verwendung, ist aber nach wie vor besonders für das Militär interessant.
Der Mobile Patient:
Eine weitere Klasse sind medizinische Sensornetzwerke. Hier werden Sensoren zur
Prävention von Krankheiten, Überwachung von Patienten, und Ersetzen von eigenen
Sinnen wie z.B. bei einem künstlichen Auge gebraucht. Bauer, Sichitiu, Istepanian
und Premaratne stellen in ihrer Forschungsarbeit das Konzept des 'Mobilen Patienten'
vor [4]. Mit Hilfe eines mehrschichtigen Netzwerkes, das aus Sensoren zur Messung
von Vitalfunktionen und einem überwachenden Prozessor am Körper des Patienten
sowie einem Root-Rechner im Krankenhaus besteht, soll Patienten eine höhere
Mobilität und damit eine bessere Lebensqualität gewährleistet werden. So müssen
schwerkranke oder pflegebedürftige Personen nicht ständig unter ärztlicher Aufsicht
sein, sondern können sich frei im Klinikgelände oder in Parks bewegen, was auch im
Bezug auf den Genesungsprozess sehr positive Auswirkungen haben kann.
Great Duck Island:
Bei der Lebensraumüberwachung geht es um eine möglichst lückenlose
Aufzeichnung eines bestimmten Gebiets. Hier wird vor allem Wert auf eine lange
Betriebsdauer und den unauffälligen Betrieb gelegt. Das College of the Atlantic
(COA) betreibt in Zusammenarbeit mit der University of California, Berkeley, und
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der Intel Research Laboratory, Berkeley, einige solcher Anwendungen. Eine davon ist
das Great Duck Island (GDI) (44.09N, 68.15W) [5], eine kleine Insel etwa 15 km
südlich der Mount Desert Island, Maine, USA. Hier wird eine seltene
Sturmschwalbenart beobachtet, die in den ausgewaschenen Felsen der Insel nistet.
Besonders in das bisher unerforschte Brutverhalten dieser Vögel kann die Technik der
Sensornetzwerke tiefere Einblicke gewähren, als dies auf herkömmlichem Wege
möglich ist. So kann das Wissen um die Bedeutung der Fels- und Erdlöcher bei der
Nutzung als Brutstätten oder das unterschiedliche Verhalten der Vögel in kleinen oder
großen Populationen insbesondere beim Schutz der seltenen Vogelart dienlich sein.
Zu diesem Zweck werden Messungen wie Temperatur und Belegung in
unterschiedlichen Brutlöchern, in denen sich erwachsene Tiere, Jungtiere oder Eier
befinden oder die auch leer sein können, durchgeführt.
Da sich die Insel weit ab von jeglicher Zivilisation befindet, ist eine Basisstation
notwendig, die den Zugriff vom Internet aus bewerkstelligt. Einzelne feste
Knotenpunkte bilden die Kommunikationsbrücken zwischen dieser Basisstation und
den einzelnen mobilen Sensoren. Obwohl sich im Sommer immer wieder
Wissenschaftler auf der Insel befinden, muss das Monitoring und das Management
vollständig über das Internet möglich sein, um Eingriffe in das empfindliche
Ökosystem so gering wie möglich zu halten und ausschließlich auf den Austausch
und die Neuinstallation von Knotenpunkten und Sensoren zu beschränken. Der
Energievorrat der nicht auswechselbaren Batterien ist auf 9 - 12 Monate ausgelegt, da
mit den Jahreszeiten, die ja direkte Auswirkungen auf die Pflanzen- und Tierwelt
haben, auch die Messergebnisse stark unterschiedlichen Charakter haben können.
Einige Teile des Netzwerkes können dank Solarstrom längerfristig in Betrieb bleiben.
Die typischen Messdaten wie Temperatur, Helligkeit, Luftdruck und Luftfeuchte
werden durch spezielle Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Vibration,
Gewicht, chemischen Gasen und Gaskonzentrationen, pH-Werten und Lärmpegeln
sowie Infrarotsensoren erweitert. Dadurch können sehr komplexe und aussagekräftige
Ergebnisse erzielt werden.
Im Juli 2003 wurde bereits die zweite Generation des Netzwerkes mit 105 Knoten
installiert und nur einen Monat später um 60 Brutloch-Sensoren und 25
Wettersensoren erweitert. Einige davon sind bis zu 3 km weit im Wald verteilt.
Fig. 5. Mica Hardware Plattform: Mica Sensor Node (links) und Mica Weather Board (rechts)
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Fig. 6. Schutzhülle aus Acryl zum Aussetzen der Mica Mote
Unter http://www.greatduckisland.net können jederzeit aktuelle Informationen über
das Projekt sowie die neuesten Messdaten und Live-Bilder abgerufen werden. Nach
Auswahl von gewünschten Sensoren, deren Lage und Status auch auf einer Karte
angezeigt werden, sowie von Messdaten und Zeitintervallen werden die Ergebnisse in
Diagrammen dargestellt und dem Benutzer zur Verfügung gestellt.
Ähnliche Projekte sind auch in der Nähe von Palm Springs [1] oder vor der Küste
von Los Angeles im Pazifik zu finden, wo eine mikrobiologische Kontrolle des
Wassers durchgeführt wird [6].
Smart Kindergarten:
Beim Beobachten von Verhaltensmustern geht es mehr um das Verhalten einzelner
Individuen und wie sie spontan miteinander reagieren. Der 'Smart Kindergarten' ist
ein Beispiel hierfür [7]. Ziel ist die Schaffung einer sich weiterentwickelnden
Umgebung zur Problemlösung für frühe Kindererziehung. Kinder lernen anhand von
Interaktionen mit Spielzeugen und dem Entdecken ihrer Umgebung. Durch die
angestrebte Technik sollen den Kindern individualisierte Lernmöglichkeiten gegeben
werden, die an verschiedene Kontexte angepasst sind, Aktivitäten von mehreren
Kindern koordinieren und dem Lehrer eine kontinuierliche und vor allem
unaufdringliche Einschätzung der Lernfortschritte ermöglichen. Umgesetzt wird dies
durch mit Sensorik ausgestatte Spielzeuge und andere Objekte im Klassenraum.
Ein Professor der University of California, Los Angeles, Mani Srivastava, will
versuchsweise ab dem Frühjahr 2004 ein komplettes Klassenzimmer einer ersten
Klasse mit Sensoren ausstatten, vom Raum selbst bis hin zu den Schülern. Diese
sollen spezielle Mützen tragen, die mit sog. 'IBadges'-Sensoren ausgestattet sind, die
ihre genaue Position und die Ausrichtung des Kopfes bestimmen sowie die Stimme
über kleine Mikrophone aufnehmen. Zusätzlich zeichnen weitere Mikrophone und
Kameras im Raum alle Aktivitäten auf. Das Projekt wird von der National Science
Foundation mit 1.8 Millionen Doller unterstützt [8]. Trotz vieler Proteste wird das
Projekt von anderen Professoren und Wissenschaftlern als Meilenstein im Data
Mining gerechtfertigt.
Industrie:
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Zahlreiche Firmen wie Dust-Inc bieten schon seit geraumer Zeit Anwendungen auf
Basis von Sensornetzwerken an [9]. Die Bandbreite geht vom industriellen
Monitoring über Tracking von Objekten bis hin zur Umsetzung von
Sicherheitsaspekten. So können die weit verbreiteten Alarmanlagen in Häusern
verbessert und ausgebaut, aber auch zusätzlich mit Sensorik zur Messung von
Vitalfunktionen von Personen wie Herzschlag und Körpertemperaturen oder anderen
relevanten Funktionen erweitert werden. Die Firma verspricht eine Lebensdauer der
Sensoren von über 5 Jahren mit einer einzigen Batterie.
Die Firma Crossbow [10] bietet eine Vielzahl verschiedener Sensoren für alle
erdenklichen Anwendungen an. Die Chips können je nach Einsatzzweck
unterschiedlich ausgestattet werden und sind in der Größe oft sogar kleiner als die
Batterie, die sie betreibt. Abbildung 7 zeigt die Spezifikationen eines angebotenen
Motes, der dieselbe Größe wie ein 25-Cent-Stück besitzt und durch den Einbau in
eine spezielle Hülle sogar als Geldstück getarnt werden kann. Ähnliche Modelle
werden auch von der Firma MicroStrain [11] angeboten.
Fig. 7. Spezifikationen eines von Crossbow angebotenen Motes
III. Der MAC-Layer
Medium Access Control (MAC) ist besonders bei Netzwerken über die
Luftschnittstelle eine wichtige Komponente. Die grundlegende Aufgabe eines MAC-
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Layer Protokolls besteht darin, den Zugriff auf das gemeinsame Medium zu
regulieren und damit die Kommunikation zwischen den verschiedenen Knoten im
Netzwerk zu ermöglichen.
1) Designüberlegungen:
In drahtlosen Sensornetzwerken sind aufgrund der speziellen Voraussetzungen wie
die beschränkten Hardwaremöglichkeiten oder die typischen Verkehrsmuster die
Anforderungen an ein MAC-Protokoll stark unterschiedlich zu herkömmlichen
Protokollen.
Limitierte Energieressourcen:
Besonders zum Tragen kommen hierbei die extrem limitierten Energieressourcen.
Allgemein gilt zu beachten, dass aufgrund der meist nur kurzen Übertragungsdistanz
und damit der geringen Sendeleistung der Funkmodule das Empfangen von
Nachrichten ähnlich viel Energie verbraucht wie das Senden.
Der größte Energieverbrauch kann so den folgenden Faktoren zugeordnet werden:
ƒ
Aufgrund der meist hohen Korrelation des Netzverkehrs treten vermehrt
Kollisionen auf, so dass die entsprechenden Pakete wiederholt gesendet werden
müssen. Eine Vermeidung von Kollisionen spart diesen Aufwand ein.
ƒ
Als Overhearing bezeichnet man das Mithören von fremden Übertragungen
benachbarter Knoten. Da jeder Knoten einer Nachbarschaft alle Nachrichten
empfängt, auch wenn sie nicht für ihn selber bestimmt sind, wird unnötig Energie
verbraucht.
ƒ
Das Senden und Empfangen von Kontrollpaketen kostet ebenfalls Energie und
sollte daher möglichst gering gehalten werden.
ƒ
Idle listening bezeichnet das Horchen am Medium zum Zweck des Carrier Sense
oder um auf eine Nachricht zu warten. Dies kostet ca. 50 - 100 % soviel Energie
wie das Empfangen selbst. Es ist somit ineffizient, horchend auf eine Nachricht zu
warten, wenn keine gesendet wird. Ideal wäre es also, die Knoten so oft wie
möglich auszuschalten.
Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit:
Zudem erfordern die Knoten ein hohes Maß an Selbstorganisation. Typischerweise
fallen immer wieder einzelne Sensoren nach Aufbrauchen ihrer Energieressourcen
oder wegen Defekten aus. Je nach Anwendung können ebenso wieder neue Knoten
zum Netzwerk hinzugefügt werden. Die generell sehr hohe Dynamik resultiert auch
aus möglicherweise andauernden Positionswechseln der einzelnen Sensoren. So
unterliegt die Netzwerktopologie ständigen Veränderungen.
Diese Probleme werden dadurch verschärft, dass es sich meist um eine sehr große
Anzahl von verteilten Knoten handelt. Da die Sensoren immer kleiner und billiger
werden, sind Netzwerke mit mehreren tausend Knoten keine Seltenheit.
Verkehrscharakteristik:
Auch das typische Verkehrsmuster in Sensornetzwerken unterscheidet sich von dem
in herkömmlichen drahtlosen Netzen. Der Datenaustausch ist häufig stark korreliert
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und variabel. Lange Ruhephasen mit nur wenig Verkehr wechseln sich ab mit kurzen,
intensiven Phasen mit hoher Netzlast. Dies resultiert aus dem meist gleichzeitigen
Detektieren desselben Ereignisses von mehreren Sensoren.
Vergleich mit existierenden Protokollen:
Herkömmliche Protokolle sind für diese Anwendungsgebiete aufgrund der
unterschiedlichen Anforderungen und Ziele weitestgehend ungeeignet. Bezüglich des
Energieverbrauchs sind diese sehr ineffizient, was deutlich am Beispiel von 802.11 zu
sehen ist. Bei dem hier verwendeten CSMA-Verfahren mit Collision Avoidance
verbringen die Knoten fast die gesamte Zeit im Idle mode. Auch das bekannte
PAMAS-Protokoll [12] bietet nur ungenügende Lösungsansätze. Zwar wird hier das
Funkmodul ausgeschaltet, solange keine Übertragung empfangen oder gesendet wird,
und damit auch das Overhearing vermieden, jedoch geschieht keine Verringerung des
Idle listening. Zusätzlich werden zwei getrennte Funk-Kanäle benötigt, was bei den
immer kleiner werdenden Sensoren sicherlich ein Problem darstellt. TDMAbasierende Ansätze haben den entscheidenden Nachteil, dass die Skalierbarkeit
aufgrund der festen Slot-Belegung relativ schlecht ist. Schwer zu handhaben ist auch
die physische Clusterbildung und damit die Interferenzen und die Kommunikation
über die Clustergrenzen hinaus.
Bei der Entwicklung entsprechender Protokolle für Sensornetzwerke sind daher
besondere Designüberlegungen zu beachten. Bei einem Netzwerk mit mehreren
unabhängigen Benutzern möchte bekanntermaßen jeder die gleichen Rechte zum
Senden und Empfangen besitzen sowie einen gewissen Grad von Quality of Service
gewährleistet wissen. Da dies bei Sensornetzwerken nicht der Fall ist, sondern
vielmehr alle Knoten einer gemeinsamen Anwendung dienen, treten die üblicherweise
betrachteten Aspekte wie Latenz, Durchsatz und Fairness in den Hintergrund.
2) MAC-Protokolle für Sensornetzwerke:
Lösungsvorschläge bieten unter anderem die vier Protokolle S-Mac, Berkeley-MAC,
CSMA-PS, sowie DE-MAC, die allerdings auf unterschiedlichen Voraussetzungen
aufbauen und somit schon relativ anwendungsspezifisch sind.
Die Vorteile des S-MAC beruhen auf periodischen Wach- und Schlafzyklen der
einzelnen Knoten sowie dem Prinzip des Message Passing, das zudem auch dem
Hidden-Terminal-Problem entgegenwirkt. Berkeley-MAC geht von einer eindeutigen
Basisstation aus und setzt sehr erfolgreich die Idee des Parenting auf Grundlage eines
Spannbaumes um. Während hier jedoch das Problem des Idle listening nicht gelöst
wird, zielt CSMA-PS besonders auf dessen Vermeidung ab. Hier wird das klassische
CSMA, das auch bei 802.11 eingesetzt wird, mit Preamble Sampling kombiniert. DEMAC betrachtet den Energieverbrauch eher auf Netzwerkebene als für jeden
einzelnen Knoten und realisiert dies durch ein Ausbalancieren des Energiebedarfs
zwischen energiekritischen und unkritischen Sensoren.
a) S-MAC (Sensor-MAC)
Entwickelt wurde S-MAC von Wei Ye und John Heidemann, beide vom Information
Science Institute der University of Southern California, sowie von Deborah Estrin
vom Computer Science Department der University of California, Los Angeles [13].
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Gefördert wurde diese Arbeit nicht zuletzt aus militärischem Hintergrund durch das
Space and Naval Warfare Systems Center San Diego.
Eine der Besonderheiten dieses MAC-Protokolls ist die Möglichkeit, die Latenzzeit
und den Energieverbrauch in Abhängigkeit von den Netzkonditionen gegeneinander
abzustimmen.
Eine Implementierung erfolgte bisher nur auf Testebene mit sehr wenigen Knoten,
zeigt jedoch schon hier die spezifischen Vorteile und die Überlegenheit gegenüber
herkömmlichen Protokollen. Um aussagekräftige Vergleiche ziehen zu können,
implementierten Ye, Heidemann und Estrin auch ein vereinfachtes IEEE 802.11
MAC auf Basis derselben Plattform. Benutzt wurden zu diesem Zweck die sog.
'Motes', entwickelt von der University of California, Berkeley (siehe Abbildung 8).
Fig. 8. Mote, Entwickelt an der University of California, Berkeley. Ein Mote besitzt einen 8-bit
Microcontroller mit 4Mhz, sowie 8kB programmierbaren Flashspeicher und 512 Bytes
Datenspeicher. Der Funk-Transceiver arbeitet auf einer Frequenz von 916.5 MHz und stellt
eine Übertragungsrate von 19.2 Kbps zur Verfügung. Das Betriebssystem TinyOS ist rein
event-gesteuert
Überblick:
S-MAC geht von einem ad-hoc-Netzwerk mit vielen sehr kleinen Knoten aus, die
untereinander ohne Hilfe einer Basisstation kommunizieren. Zusätzlich sollen sie ein
hohes Maß an Selbstkonfigurierbarkeit besitzen.
Als ein Hauptkriterium wird, wie schon aufgeführt wurde, der Energieverbrauch
der einzelnen Knoten betrachtet. Das Ergebnis ist eine sehr energieeffiziente Lösung,
die auf Basis von ausgefeilten Schlaf- und Wachintervallen und dadurch verbundener
virtueller Cluster-Bildung, Multi-Hop-Übertragung mit Message Passing, sowie
Vermeidung von Kollisionen und Overhearing den Anforderungen eines
Sensornetzwerkes gerecht zu werden versucht.
Der Anspruch an die Fairness ist in keinster Weise mit den Bedingungen bei
traditionellen drahtlosen Netzen zu vergleichen. Während hier jeder Benutzer gleiche
Rechte und Möglichkeiten fordert, dienen die Knoten eines Sensornetzwerkes alle
derselben Aufgabe. So kann das Konzept des Message Passing wieder eingeführt
werden, dessen Grundidee eine Aufteilung langer Nachrichten in kleinere Fragmente
und das Versenden in einem Burst ist. Andere Knoten, die nur eine kurze Nachricht
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senden wollen, müssen so unter Umständen lange warten. Dies erscheint unfair, spart
aber Energie durch die Verringerung von Kontrollpaketen und Overhearing.
Besonders drastisch ist die Energie-Ersparnis durch das periodische Versetzen der
Sensoren in einen Schlafmodus und dem Horchen am Medium. Die Idee dazu wurde
von PAMAS [12] übernommen. Schon ein halb-sekündiges Ausschalten während
einer ein-sekündigen Periode senkt den Verbrauch um 50 %. Während der
Schlafphase wird das Funkmodul abgeschaltet und ein Timer gesetzt, der als ein
Wecker fungiert. Die Dauer der einzelnen Phasen können der jeweiligen Anwendung
angepasst werden, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Der
Einfachheit halber sollten diese Parameter jedoch für alle Knoten eines Netzes
übereinstimmen.
Die Latenzzeiten werden allerdings insgesamt erhöht, da durch die periodischen
Schlafmodi die Sensoren teilweise mit dem Senden einer Nachricht warten müssen,
bis der Empfänger aufgewacht ist.
Zum Ausgleichen der zeitlichen Ungenauigkeiten muss natürlich auch eine
regelmäßige Synchronisation der Knoten untereinander gewährleistet werden. Hierzu
werden erstens durchweg Zeitstempel mit relativen statt absoluten Zeitangaben
verwendet. Zweitens sind die aktiven Zeiten des Horchens am Medium deutlich
länger als die typischen Zeitabweichungen. Dadurch ist eine sehr viel lockerere
Synchronisation möglich als dies z.B. beim klassischen TDMA mit seinen kurzen
Zeitschlitzen der Fall ist. Die einzelnen Knoten können ihren Schlaf- und
Wachrhythmus zunächst frei wählen, sollten sich dann jedoch mit den direkten
Nachbarn synchronisieren, auch wenn das nicht immer möglich ist.
Die Synchronisation erfolgt durch einen Broadcast des Zeitplans an alle
benachbarten Knoten. Direkte Nachbarknoten formen so durch die
Autosynchronisation virtuelle Cluster. Dies ermöglicht einen Datenaustausch ohne
Rücksicht auf eventuelle Schlafzeiten, ohne jedoch die üblicherweise bei
Clusterbildung entstehenden Probleme wie Inter-Cluster-Kommunikation oder
Interferenzen mit sich zu führen.
Infolge der virtuellen Cluster werden allerdings bei der Multi-Hop-Übertragung
über längere Wege die Latenzzeiten stark erhöht. So wirken sich die spezifischen
Anforderungen der Anwendung auf die Latenzzeit direkt auf die Länge der
Schlafzeiten aus.
Auswählen der Zeitpläne:
Die einzelnen Knoten verwalten jeweils eigene Tabellen mit den Zeitplänen der
bekannten direkten Nachbarn. Um einen eigenen Schlaf- und Wachrhythmus zu
wählen, werden drei Schritte durchlaufen:
1. Der Knoten horcht eine bestimmte Zeit lang, ob er einen Zeitplan eines anderen
Knoten empfangen und übernehmen kann. Ist dies nicht der Fall, wählt er einen
zufälligen Rhythmus aus und verbreitet diesen sofort mittels einer SYNC Nachricht.
Darin enthalten ist auch die Zeitdauer, bis er in den Schlafmodus geht. Dieser Knoten
wird nun 'Synchronizer' genannt, da sich die Nachfolgenden nach ihm richten.
2. Falls der Knoten einen Zeitplan empfängt, übernimmt er diesen und wird daher
'Follower' (Nachfolger) genannt, da er sich nach dem Synchronisierer richtet. Nach
einer zufälligen Verzögerung sendet nun auch dieser Knoten eine SYNC Nachricht, in
der die Zeitdauer bis zum Schlafmodus enthalten ist. Die Verzögerung dient zur
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Vermeidung von Kollisionen, so dass mehrere Follower, die demselben
Synchronisierer folgen, nicht gleichzeitig den Zeitplan weitersenden.
3. Wenn ein Knoten einen Zeitplan empfängt, nachdem er einen eigenen gewählt und
weiterverbreitet hat, übernimmt er beide Zeitpläne. Vor dem Schlafmodus versendet
er seinen eigenen Zeitplan. Normalerweise sollten nur wenige Knoten mehrere
Rhythmen übernehmen, da sie sich stets zuerst nach anderen umhören, bevor sie
einen eigenen wählen. Aufgrund von Kollisionen kann es dennoch dazu kommen.
In einem Netzwerk synchronisieren sich also alle mit dem ersten Knoten, dessen
Timer abläuft und der einen Broadcast verschickt. Sollten dies zwei Knoten
gleichzeitig tun, weil sie sich nicht hören können, übernehmen die Knoten in der
Grenzzone beide Zeitpläne. Der Nachteil ist, dass diese dadurch weniger Zeit im
Schlafmodus verbringen und so mehr Energie verbrauchen.
Als Alternative dazu könnten die Grenzknoten auch nur die erste Synchronisation
übernehmen und den zweiten Plan speichern. So können sie mit allen anderen
kommunizieren, müssten jedoch beim Broadcast zwei Pakete entsprechend der
Zeitpläne verschicken.
Regelmäßige Synchronisation der Zeitpläne:
Obwohl die Wach-Zeiten relativ lang sind und so auch Abweichungen tolerieren
können, müssen die Knoten sich in regelmäßigen Abständen miteinander
synchronisieren. Hierzu reichen nach den Versuchen von Ye, Heidemann und Estrin
Zeiten von 10 und mehr Sekunden aus. Die Synchronisierung geschieht mittels einer
SYNC-Nachricht, die die Adresse des Absenders sowie die Zeitdauer bis zur nächsten
Schlafphase enthält. Dieser Zeitabstand ist in allen Paketen enthalten und wird in
Relation zum Ende der Übertragung angegeben, so dass die Nachbarknoten aufgrund
der kurzen Ausbreitungsverzögerung direkt ihren Timer danach einstellen können.
Damit die Knoten sowohl SYNC- als auch Daten-Pakete empfangen können, wird
die Wachphase wiederum in zwei Phasen unterteilt. Der erste Teil ist für SYNC
bestimmt, der zweite für RTS-Pakete. Eine weitere Unterteilung in kleine Zeitschlitze
ermöglicht den Sendern das Medium abzuhören. Wie in Abbildung 9 dargestellt
beginnt also der Sendeknoten beim Senden eines Paketes mit dem Carrier Sense zu
dem Zeitpunkt, zu dem der Empfänger anfängt zu horchen, und startet in einem
zufällig gewählten Zeitschlitz mit dem Senden.
181
Fig. 9. Verschiedene Phasen mehrerer Sender und eines Empfängers. CS: Carrier Sense
Jeder Knoten broadcastet in regelmäßigen Abständen seine SYNC-Nachricht, auch
wenn er keine Nachfolger besitzt, so dass sich neue Knoten anschließen können.
Vermeidung von Kollisionen und Overhearing:
Zur Vermeidung von Kollisionen übernimmt S-MAC die grundlegenden Prinzipien
von 802.11, besonders das virtuelle und physische Carrier Sensing sowie den
Austausch von RTS/CTS Nachrichten. Jedes Nachrichtenpaket enthält unter anderem
die Länge der verbleibenden Übertragung, so dass andere Knoten, die die Nachricht
mithören, stets wissen, wie lange sie noch im Schlafmodus verbleiben müssen.
Broadcastnachrichten werden ohne RTS/CTS versendet, alle anderen Pakete folgen
jedoch der Abfolge von RTS/CTS/DATA/ACK zwischen Sender und Empfänger.
Die beteiligten Knoten werden bis zum Ende der Datenübertragung nicht wieder in
den Schlafmodus versetzt und bleiben im Wachzustand.
Während in 802.11 die Knoten alle Übertragungen ihrer Nachbarknoten mithören,
um ein effizientes virtuelles Carrier Sensing durchzuführen, werden in S-MAC die
Knoten in den Schlafzustand versetzt, nachdem sie ein fremdes RTS oder CTS
empfangen haben. So wird sichergestellt, dass alle direkten Nachbarn sowohl des
Senders als auch des Empfängers inaktiv sind und so einerseits die Übertragung nicht
stören können und andererseits selber Energie sparen.
Message Passing:
Ziel des Message Passing ist, lange Nachrichten möglichst effizient im Hinblick auf
Energie und Latenzzeit zu versenden. Das Versenden einer Nachricht am Stück als
ein Paket hat den Nachteil, dass selbst bei kleineren Übertragungsfehlern die gesamte
Nachricht wiederholt werden muss. Bei Fragmentierung in kleinere Pakete ist
aufgrund von RTS/CTS für jedes einzelne Paket mit einem verstärkten Aufwand für
Kontrollpakete und somit größeren Verzögerungen zu rechnen.
S-MAC löst dieses Problem durch eine Fragmentierung und dem Versenden der so
entstandenen Pakete in einem Burst. Hierfür wird nur eine RTS- bzw. CTS-Nachricht
182
benötigt, die das Medium für die Dauer der Übertragung reserviert. Nach jedem Paket
wartet der Sender auf die Bestätigung (ACK) und wiederholt notfalls das aktuelle
Paket.
Da das Umschalten von Schlaf- auf Empfangsmodus technisch bedingt einige Zeit
in Anspruch nimmt, sollte die Umschaltfrequenz stets gering gehalten werden. Das
Prinzip des Message Passing setzt die Knoten so lange wie möglich in den
Schlafzustand und vermeidet so zu großen Overhead.
Die Verwendung von ACK nach jedem Fragment wirkt zugleich dem HiddenTerminal-Problem entgegen. Ein Nachbarknoten des Empfängers, der erst während
der Übertragung aufwacht oder neu hinzukommt, hört unter Umständen die Pakete
des Senders nicht und geht so nach seinem Carrier Sense von einem freien Medium
aus und verursacht eine Kollision beim Empfänger. Durch die ACK-Nachrichten des
Empfängers wird dies verhindert. Diese enthalten wie jedes andere Paket auch die
Länge der restlichen Übertragung, so dass stets alle mithörenden Knoten ihren Timer
korrekt stellen können, auch wenn die Länge wegen der Wiederholung eines Paketes
oder anderer Fehler vom Sender erhöht wurde.
Obwohl auch 802.11 die Fragmentierung unterstützt, gibt es doch entscheidende
Unterschiede. Hier reserviert das erste RTS / CTS das Medium nur für das erste
Datenpaket und das ACK. Diese reservieren das Medium weiter für das zweite
Datenpaket und das ACK und so weiter. Dies geschieht aus Gründen der Fairness, da
der Sender bei einem ausbleibenden ACK die Übertragung abbrechen und erneut das
Senderecht erwerben muss. Da infolgedessen die Nachbarknoten immer nur bis zum
nächsten Fragment im Schlafmodus bleiben können, ist der Energieverbrauch deutlich
höher als bei S-MAC, bei dem die Fairness auf Anwendungsebene wichtiger ist als
zwischen einzelnen Knoten.
Zusammenfassung:
S-MAC bietet einen je nach Netzkonditionen 2-6-fach geringeren Energieverbrauch
als 802.11. Die gute Skalierbarkeit und Kollisionsvermeidung sprechen ebenfalls für
dieses Protokoll. Nachteilig sind die eventuell recht große Multi-Hop-Latenz und der
höhere Energieverbrauch der Grenzknoten eines Clusters.
Umfassendere Tests in konkreten Anwendungsfällen in größeren Umgebungen sowie
genauere Untersuchungen der Skalierbarkeit und der Auswirkungen der
verschiedenen Parameter bleiben abzuwarten und werden feststellen, ob sich S-MAC
auch in der Praxis bewähren kann.
b) Berkeley-MAC
Das Berkeley-MAC-Protokoll wurde von Woo und Culler [14] von der University of
California, Berkeley, auf der Basis von CSMA entwickelt. Auch dieses Protokoll zielt
auf einen möglichst geringen Energieverbrauch ab. Als Voraussetzung werden
kurzfristig hohe Verkehrsaufkommen mit kurzen Paketen, die um die 30 Bytes groß
sind, angenommen.
Berkeley-MAC geht von einer eindeutigen Basisstation aus, zu der alle Daten der
einzelnen Knoten geschickt werden. Dies erfolgt mit einem Spannbaum, der von einer
übergeordneten Schicht erstellt wird. Jeder Knoten kennt hier seinen Vaterknoten und
weiß so stets, wohin er seine Nachrichten senden muss.
Neben der Optimierung des Energieverbrauchs steht die Ausnutzung der
Bandbreite von den Knoten zur Basisstation im Vordergrund. Insbesondere sollen die
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Knoten in der Nähe der Basisstation nicht mehr senden können als weiter entfernte.
Zu diesem Zweck schlägt Berkeley-MAC einen Adaptive Rate Control Mechanismus
vor, der diese Fairness sicherstellt. Dieser wird jedoch nicht im MAC-Layer realisiert.
Das CSMA-Prinzip wird um zufällig lange Wartezeiten im Schlafmodus vor dem
eigentlich Carrier Sense erweitert. Diese sollen vor allem Kollisionen verhindern, die
beim gleichzeitigen Detektieren derselben Ereignisse vermehrt auftreten, sowie
Energie einsparen. Außerdem ermöglicht die Technik des Parenting den gänzlichen
Verzicht auf Kontrollpakete.
Das Parenting nützt den zugrunde liegenden Spannbaum aus. Im in Abbildung 10
dargestellten Beispiel sendet der Knoten B eine Nachricht zum Zeitpunkt t an Knoten
C. Der Knoten A weiß zusätzlich, dass C das Paket innerhalb der Zeit (t + t') an D
weitersenden wird, und wartet genau diese Zeit ab, bevor er selbst sendet, um eine
Kollision in B zu verhindern. Jedoch können nicht alle Kollisionen auf diese Art und
Weise vermieden werden, wie das Szenario weiter zeigt. Ein Knoten E, der außerhalb
der Reichweite von A liegt, kann eine Übertragung an C starten. A bemerkt davon
nichts, beginnt seinerseits mit dem Senden und verursacht somit eine Kollision in B.
A
B
t
C
t + t'
D
Zur
Basisstation
Reichweite von A
E
Fig. 10. Parenting im Berkeley-MAC
Auch die ACK-Pakete können dank des Parenting eingespart werden, da die
Weiterleitung der Nachricht von B nach C wie ein implizites Acknowledgement
wiederum von A empfangen werden kann.
Ein Hauptkritikpunkt am Parenting ist die Notwendigkeit der ständigen
Überwachung des Mediums seitens der einzelnen Knoten, so dass durch Idle listening
unnötig Energie verbraucht wird.
Implementiert und getestet wurde das Berkeley-MAC wie auch S-MAC auf den
Berkeley-Motes und zeigte ebenfalls eine deutliche Energieeinsparung gegenüber
802.11. Aufgrund der ungelösten Problematik des Idle listening eignet sich dieses
Protokoll jedoch allenfalls für Netzwerke mit durchschnittlich sehr hohem
Verkehrsaufkommen, bei dem dieses weniger akut zum tragen kommt.
c) CSMA-PS
Das Carrier Sense Medium Access Preamble Sampling (CSMA-PS) wurde 2002 von
El-Hoiydi entwickelt [15, 16]. Unter der Annahme, dass bei Sensornetzwerken der
184
Nachrichtenverkehr meist sehr gering ist, zielt dieses Protokoll hauptsächlich auf die
Verhinderung von Idle listening ab.
Wenn frei
Æ Senden
Tp
Sender
Präambel
Daten
ACK
Tp
Empfänger
Medium frei
Medium besetzt
Warte auf Daten
Fig. 11. Übertragung bei CSMA-PS
Abbildung 11 zeigt den Ablauf einer Übertragung in CSMA-PS. Alle Knoten
befinden sich in einem periodischen Wach- und Schlafzyklus. Die Länge des
Intervalls wird mit Tp bezeichnet. Zum Senden verschickt der Sender nach einem
Carrier Sense zuerst eine Präambel der Länge Tp, die den Empfänger identifiziert,
und dann erst die Daten selbst. Durch die gewählte Länge der Präambel ist
gewährleistet, dass der Empfänger genau einmal aufwacht, während die Präambel
gesendet wird. Wacht nun ein Knoten auf, horcht er zunächst, ob das Medium besetzt
ist. Falls das Medium frei ist, kann er weiter im Schlafmodus verbleiben. Erkennt er
jedoch eine Präambel, horcht er weiter, bis er die Daten empfängt und bestätigt die
erfolgreiche Übertragung durch ein ACK.
Gegenüber S-MAC müssen die Knoten für dieses Verfahren nicht synchronisiert
sein.
Nachteilig wirkt sich bei CSMA-PS jedoch der erhöhte Energieverbrauch beim
Senden aus, der seine Ursache in der langen Präambel findet. Zusätzlich wird auch die
Wahrscheinlichkeit von Kollisionen erhöht.
Ein verbessertes Protokoll, Synchronized-CSMA-PS (S-CSMA-PS), behebt diese
Probleme durch die Speicherung der Aufwachzeitpunkte der direkten Nachbarn, so
dass genau zu diesen Zeitpunkten Nachrichten gesendet werden können. Die
Präambel muss dadurch nur noch lang genug sein, um die eventuellen
Zeitabweichungen ausgleichen zu können.
Zusammenfassend stellt S-CSMA-PS ein sehr viel versprechendes Protokoll dar,
das bei einem Übertragungsintervall von 10 Sekunden zumindest rein rechnerisch
eine Lebensdauer von mehreren Jahren gewährleistet.
d) DE-MAC
Eine sehr neue Entwicklung stellt das Distributed Energy-Aware MAC-Protokoll
(DE-MAC) der Louisiana State University dar [17]. Entwickelt von R. Kalidindi, L.
Ray, R. Kannan und S. S. Iyengar und erst vor wenigen Monaten erstmals vorgestellt,
basiert dieser Lösungsansatz auf einem TDMA-Prinzip und vermeidet so vor allem
Kollisionen und verringert den Overhead an Kontrollpaketen. Es benutzt auch die
schon bekannte Idee der periodischen Wach- und Schlafzyklen um Idle listening und
Overhearing zu minimieren.
185
Die Besonderheit dieses Protokolls besteht jedoch in einer lokalen AuswahlProzedur, die schwachen und kritischen Knoten Vorrechte zuteilt und längere Zeit
schlafen lässt. Dieser Mechanismus ist vollständig in die TDMA-Zeitschlitzvergabe
integriert und benötigt so keine zusätzliche Bandbreite.
Kriterien, anhand derer Knoten als schwach oder kritisch ausgewählt werden,
können lokale Statusinformationen sein oder durch eine Funktion des Standortes eines
Sensors innerhalb dynamischer Routing-Bäume dargestellt werden.
Zu Beginn wird jedem Knoten dieselbe Anzahl von Time-Slots zugeordnet. Wenn
nun bei einem Knoten der Energievorrat unter einen bestimmten Schwellwert fällt,
kann er eine Wahl auslösen, bei der alle Knoten ihren Energielevel an die
regelmäßigen Übertragungen innerhalb ihres Zeitschlitzes anhängen und so den
kritischsten Knoten bestimmen. Dieser ist nun der neue Leiter und sein Energielevel
wird zum neuen Schwellwert für weitere Wahlen. Alle anderen Knoten verringern
nun die Anzahl der ihr zugeordneten Zeitschlitze um einen konstanten Wert und
stellen sie dem Leiter zur Verfügung. Durch dieses Verfahren wird die Zeit für Idle
listening der schwachen Knoten stark verkürzt.
Die Schlafzeiten eines Knoten sind also ausschließlich innerhalb der eigenen
Timeslots, in denen nichts gesendet werden muss. Während der übrigen Zeit hört
jeder Knoten alle Nachrichten der anderen mit. Die jeweils schwächsten Sensoren
haben mehr Zeitschlitze zur Verfügung, so dass ihr Energieverlust durch Idle listening
verringert wird.
Ein relativ groß angelegter Versuchsaufbau mit 100 Sensoren in einem Gebiet von
einem Quadratkilometer zeigt deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen TDMAVerfahren ohne das dargestellte Auswahlverfahren der schwächsten Knoten und deren
Bevorzugung. Abbildung 12 zeigt die Energieersparnis in Abhängigkeit von der Zeit.
Fig. 12. Maximale Energiedifferenz zwischen TDMA mit und ohne Auswahlverfahren
Die Vorteile des DE-MAC sind die durch die Verwendung von TDMA resultierende
Kollisionsvermeidung sowie das nicht notwendige Bewerben um Senderechte, was
Carrier Sensing überflüssig macht und Kontrollpakete minimiert.
Nachteilig wirkt sich sicherlich der weiterhin sehr hohe Aufwand für Idle listening
aus. Ein Knoten muss stets auf Nachrichten anderer Knoten warten, auch wenn keine
gesendet werden. Der Schlafzyklus beschränkt sich auf die eigenen Timeslots. Die für
das Umschalten zwischen den Modi benötigte hardwarebedingte Zeit kann sich beim
häufigen Hin- und Herschalten in Abfolge der eigenen Timeslots zu einem störenden
Faktor aufsummieren. Weiterhin wird bei TDMA eine Synchronisation der Knoten
186
untereinander notwendig, die zusätzlichen Aufwand bedeutet. Auch die Skalierbarkeit
ist bei diesen Verfahren sehr schlecht.
Insgesamt ist die Idee der Unterstützung von schwächeren Knoten zwar als sehr
positiv anzusehen, die Umsetzung bringt jedoch vielfältige Probleme mit sich, die es
noch zu lösen gilt.
3) Zusammenfassung
Die Entwicklung der MAC-Protokolle für Sensornetzwerke zeigt deutliche
Fortschritte und macht mit innovativen Ideen und Strukturen auf sich aufmerksam.
Leider ist eine genauere Bewertung anhand von realen Einsätzen nicht ohne weiteres
möglich, da für die meisten Anwendungen eigene Versionen und Variationen oder
auch völlig neue Ansätze entwickelt und eingesetzt werden. So wird im Netzwerk des
Great Duck Island ein eigenes Protokoll auf FDMA-Basis benutzt.
Auch gibt es bisher keine vergleichenden Messungen zwischen den verschiedenen
bekannten Lösungsansätzen.
Diese Tatsachen resultieren aus den stark unterschiedlichen Voraussetzungen und
Zielen der Applikationen, die eine Festlegung auf ein einheitliches MAC-Protokoll
für Sensornetzwerke unmöglich machen. Eine Standardisierung erscheint nur schwer
möglich und auch nur für verschiedene Anwendungen getrennt realisierbar. So
werden bei Forschern, Wissenschaftlern, beim Militär und bei Privatunternehmen
auch weiterhin eine Vielzahl verschiedener Systeme mit unterschiedlichen
Charakteristiken zu finden sein.
IV. Routing
1) Allgemeine Betrachtungen
Routingprotokolle gibt es bereits viele. Dennoch betrachtet man sie im Allgemeinen
als für Sensornetzwerke schlecht oder gar nicht geeignet. Warum?
Sensornetzwerke stehen speziellen Problemstellungen gegenüber, die andere,
herkömmlichere Netzwerktypen nicht oder nur in Ansätzen lösen müssen. Das
bedeutet allerdings nicht, dass Routingprotokolle für Sensornetzwerke nicht mit
ausfallenden Routen zurechtkommen müssten. Sensornetzwerke müssen sich selbst
organisieren und haben in der Regel kleine und nicht erneuerbare Energiereserven in
den einzelnen Sensoren. Ausfallende Sensorknoten und damit auch Routen, da die
Knoten die einzige Netzwerkinfrastruktur sind, sind von Anfang an sicher.
Sensornetzwerke haben gewöhnlich, außer wenn die Knoten z. B. mit genügend
Solarzellen ausgerüstet sind, durch Energiemangel begrenzte Lebensdauern.
Andere Anforderungen, wie maximaler Durchsatz, sind hingegen von sekundärer
Bedeutung.
Diese Anforderungen wiederum prägen die Protokolle. Dazu müssen einige
Erklärungen gegeben werden.
187
a) Selbstorganisation
Alle Knoten sind gleich aufgebaut. Daher unterscheiden sie sich am Anfang nur durch
ihre geographische Lage. Im Laufe der Zeit können sie sich durch die in ihren
Batterien verbliebene Energie unterscheiden.
Daher ergibt es keinen Sinn vor dem Einsatz Rollenfestlegungen, wie zum Beispiel
einen Routingbaum, zu treffen. Die Rollen der Knoten beim Routing und die
eigentlichen Routen können erst nach Erreichen der Einsatzposition festgelegt
werden. Der extrem komplexe Fall beweglicher Knoten soll hier nicht betrachtet
werden.
Die sinnvollen Kriterien zur Festlegung der Rollen und Routen sind, wie gesagt,
Energieinhalt und Position im Verhältnis zum Empfänger und zu anderen Knoten.
Unglücklicherweise sind diese Informationen nicht immer und überall vorhanden,
beziehungsweise, sie zu übermitteln wäre zu aufwändig. In solchen Fällen muss man
zu heuristischen Lösungen greifen oder zu Algorithmen mit Zufallselementen
(probalistische Algorithmen).
b) Sparsamer Umgang mit Energie
Konventionelle Routingprotokolle haben die Aufgabe, Kosten zu minimieren. Kosten
sind hierbei entweder wörtlich, im monetären Sinne, oder als Latenzzeiten oder
Bandbreitenverbrauch zu verstehen. Routingprotokolle für Sensornetzwerke verstehen
Kosten als Energieverbrauch. Hier muss man sich vor Augen führen, wodurch
Energie in der Kommunikation verloren geht.
Natürlich und am leichtesten einzusehen ist der Energieaufwand in Form der
eigentlichen Sendeenergie. Sie hängt von verschiedenen Faktoren ab. Jedoch kann das
Routingprotokoll davon in einem Knoten nur die Entfernung des Empfängers wählen,
indem es den Empfänger auswählt. Dieser Teil der Kosten einer Route entstehet
durch die Addition der Sendeenergien.
Weiterer Energieverbrauch entsteht durch den Betrieb der Sendeelektronik.
Deswegen hängt der Energieverbrauch beim Senden nicht nur von der Sendeenergie
ab, sondern hat auch einen entfernungsunabhängigen Teil, der davon abhängt, wie
lange Sendungen dauern.
In einem gegebenen Knoten kann ein Routingprotokoll nicht beeinflussen, wie
lange die Übertragung einer Nachricht dauert. Dies ist tiefer liegenden Schichten
vorbehalten. Die Energiekosten im gesamten Netzwerk hängen allerdings davon ab,
wie oft eine Nachricht übertragen wird. Die Länge einer Route, im Sinne der Anzahl
der teilnehmenden Knoten, nicht im geometrischen Sinne, bestimmt diesen Anteil des
Energieverbrauchs.
Zusätzlicher Energieverbrauch entsteht aus drei weiteren Aktivitäten, nämlich dem
Initialisieren des Senders, dem Initialisieren des Empfängers und dem Betrieb der
Empfangselektronik. Protokolle, die ständige Empfangsbereitschaft voraussetzen,
haben also einen erhöhten Energiebedarf.
Zusammenfassen kann man dies in folgenden Formeln:
E Knoten =E Betrieb ƒ E Sendung =P Sender × l ƒ P Sendung × l × d a
P
Elektrische Leistung
(1)
188
l
a
d
Länge der Nachricht
Ausbreitungskoeffizient
Entfernung
Nachrichten Knoten
E Netzwerk =
ł
ł
E Knoten
(2)
Die Aufgabe eines Routingprotokolls besteht darin, mit heuristischen Mitteln ein
Minimum des Energieverbrauches des Systemes zu finden.
2) Flooding
a) Grundidee
Unter Flooding versteht man eine Technik, eine Nachricht im ganzen Netzwerk zu
verbreiten. Jeder Knoten sendet eine erhaltene Nachricht einfach allen Knoten in
seiner Reichweite. Diese Technik steht auch zur Verfügung, bevor komplexeren
Protokollen notwendige Information verfügbar sind. Daher wird diese Technik gerne
bei der Initialisierung eines Netzwerkes benützt. In gewisser Weise ist Flooding ein
Routingprotokoll ohne Routen. Bei probalistischen Routingprotokollen kann Flooding
auch als Hilfsverfahren im Versagensfalle dienen.
Dabei kann man zwischen zwei Verfahren unterscheiden. Einerseits kann man
Anfragen in das Sensornetzwerk hineinfluten, und andererseits kann man Nachrichten
über Ereignisse hinausfluten. Welches Verfahren zu bevorzugen ist, hängt davon ab,
welcher Anteil der Ereignisse, die die Knoten beobachten, im Augenblick von
Interesse sind.
b) Implikationen
Flooding stellt sehr große Anforderungen an die unteren Schichten des
Kommunikationssystem, weil es viele unkoordinierte Broadcasts einsetzt. Selbst im
günstigsten Falle skaliert der Energieaufwand linear mit der Anzahl der Knoten und
Nachrichten.
c) Verbesserungsmöglichkeiten
Wenn die Knoten über geographische Informationen über ihre eigene Lage und die
Lage des Zieles verfügen, können sie bei vorausgesetzter homogener Verteilung der
Knoten die Skalierung verbessern, indem sie die Nachricht nur wiederholen, wenn sie
zwischen Ziel und Quelle liegen. Die Skalierung erfolgt mit der Wurzel der Anzahl
der Knoten.
189
3) Shortest Hop First
a) Einführung
Hier betrachten wir erstmal, sozusagen als schlechtes Beispiel, ein sehr einfaches
Routingprotokoll - Shortest Hop First.
Es handelt sich dabei um ein nur wenig abgewandeltes Protokoll aus der Welt der
konventionellen, leitungsgebundenen Kommunikation. Dabei verhält sich jeder
Knoten egoistisch und benutzt geographische Informationen um den Weg zu wählen.
Dies setzt voraus, dass die Knoten wissen, wo sie sind und wo das Ziel liegt. Die
Frage, wie sich Knoten diese Informationen verschaffen, ist nicht Aufgabe eines
Routingprotokolls, also nehmen wir sie hier als gelöst an.
b) Grundidee
Ein Knoten wählt den nächsten Knoten einer Route danach aus, wie weit, in
Sendeenergie ausgedrückt, die anderen Knoten vom Ziel und vom aktuellen Knoten
entfernt sind. Als Kandidaten für das nächste Zwischenziel kommen nur Knoten in
Frage, die dem Ziel näher sind als der aktuelle Knoten. Von all diesen Knoten wird
der, der dem aktuellen Knoten am nächsten ist, ausgewählt.
Um die Leichtigkeit der Implementierung zu zeigen, hier in leicht vereinfachtem
Pseudocode:
)h5DOOH.QRWHQ
:(11.QRWHQGLVWDQ]]LHOVHOEVWGLVWDQ]=LHO
'$11.DQGLGDWHQDXIQHKPHQ.QRWHQ
HQWIHUQXQJ XQHQGOLFK
]ZLVFKHQ]LHO 18//
)h5DOOH.DQGLGDWHQ
:(11HQWIHUQXQJ!.DQGLGDWGLVWDQ]]LHO
DANN
HQWIHUQXQJ .DQGLGDWGLVWDQ]]LHO
]ZLVFKHQ]LHO .DQGLGDW
c) Aufbau der Datenstrukturen
Das Protokoll arbeitet mit geographischen Informationen. Nachdem sie ermittelt
worden sind, müssen sie zumindest den Nachbarn übermittelt werden. Gibt es nur ein
Ziel, dessen Standort bekannt ist, genügt es, nur den Nachbarn den eigenen Standort
mitzuteilen. Sonst müssen die Standorte weiter verbreitet werden.
Eine alternative Methode zum Aufbau eines Routingbaumes besteht darin, das Ziel
den Aufbau des Baumes einleiten zu lassen, indem eine Nachricht durch Flooding
weiterverbreitet wird. Entfernung lässt sich in diesem Falle direkt als Signalstärke
beim Empfang messen. Dies ist, weil der Verlust an Signalstärke nicht linear und
auch nicht vorhersagbar von der geometrischen Entfernung abhängt, ein Verfahren
190
mit geringerem Energieverbrauch. Allerdings gibt es, vor allem militärische,
Anwendungen, bei denen es unakzeptabel ist, dass das Ziel anpeilbare Signale von
sich gibt.
d) Mängel der Selbstorganisation
Bei diesem Verfahren können sich Sackgassen bilden. Das Verfahren blickt nicht
voraus und kann nicht abschätzen, ob ein aus rein geographischen Gründen
ausgewählter Knoten oder seine Nachfolger Routen, die zum Ziel führen, haben.
Fig. 13. Pathologische geografische Verteilung. Der vom egoistischen Algorithmus gewählte
Weg in rot. Der ideale Weg grün-gestrichelt. Quelle in gelb. Ziel in grün.
Um in solch einem Falle die Nachricht zustellen zu können, muss man die Technik
des Backtracking benutzen. Das führt zu vielen eigentlich vermeidbaren
Übertragungen. Die alternative Aufbaumethode bildet am Anfang natürlich keine
Sackgassen. Sie können sich nur nachträglich durch Ausfall von Knoten bilden.
e) Zeitlich ungleichmäßige Entwicklung der Energievorräte der Knoten
Unter der Annahme, dass es ein einheitliches, unbewegliches Ziel der überwiegenden
Anzahl aller Nachrichten gibt und eine zufällige Verteilung der überwiegenden
Anzahl aller Datenquellen gibt, stellt sich ein charakteristisches Muster des
Datenverkehrs ein. Nachrichten laufen auf einem Zickzackkurs eine Hyperfläche
hinab, deren tiefsten Punkt das Ziel darstellt.
191
Eine sehr kleine Anzahl (Nähe ist richtungsabhängig) oder auch nur ein Knoten
muss dem Ziel am nächsten liegen. Über ihn oder sie laufen alle Nachrichten. Das
belastet die dem Ziele nächsten Knoten überdurchschnittlich. Ihre Batterien werden
zuerst erschöpft. Dadurch läuft eine "Sterbefront" vom Ziel aus durch das Netzwerk.
Sie beschleunigt sich sogar, weil der Abstand, den die dem Ziele nächsten Knoten
überwinden müssen, immer weiter ansteigt und damit auch der Energieverbrauch
durch nötig werdende höhere Sendeleistungen.
Es kann auch zu einem abrupten Tode des ganzen Netzwerkes kommen, wenn die
Maximalreichweite des dem Ziele nächsten Knoten nicht ausreicht.
f) Vorteile
Der wesentliche Vorteil dieses Routingprotokolles ist sein einfaches und daher leicht
zu implementierendes Prinzip.
Weiterhin bedingt diese Einfachheit, dass außer bei der Initialisierung nur
Nachrichten mit Nutzlast übertragen werden.
4) Selbstorganisiertes Baumverfahren mit wechselnden Astknoten
a) Grundidee
Die Knoten organisieren sich selbst in Gruppen und mindestens zwei Ebenen, die aus
Blattknoten und Astknoten gebildet werden. Die Astknoten dienen als
Zwischenstationen in der Nachrichtenübertragung. Eine Gruppe besteht aus einem
Astknoten und benachbarten Blattknoten, beziehungsweise Astknoten einer tieferen
Ebene.
b) Initialisierung
Zuerst werden Gruppen gebildet. Dazu ernennt sich ein gewisser Prozentsatz der
Knoten nach dem Zufallsprinzip zu Astknoten. Ein Blattknoten wählt den
sendeenergetisch nächstgelegenen Astknoten und schließt sich seiner Gruppe an.
192
Fig. 14. In Gruppen aufgeteiltes Sensornetzwerk. Astknoten in rot.
c) Auswahl der Astknoten
Während die geometrischen Informationen in Form der geringsten Sendeenergie, die
benötigt wird, um einen Astknoten zu erreichen, benutzt werden, um Gruppen zu
bilden, werden Informationen über die Energievorräte benutzt, um die Astknoten neu
auszuwählen.
Ergibt sich aus irgendeinem Grunde die Notwendigkeit einen neuen Astknoten zu
wählen, so entscheidet sich ein Knoten zufällig, mit einer vom Energievorrat im
Verhältnis zur bisherigen Betriebsdauer des Sensornetzwerkes abhängigen
Wahrscheinlichkeit, ob er die Rolle eines Astknoten ausfüllen will.
d) Ablauf der Kommunikation
Kommunikation mit Nutzlasten läuft strikt hierarchisch ab.
Nachrichten laufen von einem Blattknoten oder einem Astknoten zu einem höher
liegenden Astknoten, bis sie einen Astknoten der höchsten Ebene erreicht hat, der
direkt mit dem Ziel kommuniziert.
e) Kontrolle der Kommunikation
In einer Gruppe wird die gesamte Kommunikation nach einem zeitlichen Schema, das
der Astknoten festlegt, durchgeführt. Dabei werden jedem Blattknoten Sende- und
Empfangszeitschlitze zugeteilt. So sind die Blattknoten in der Lage, außerhalb des
ihnen zugeteilten Zeitschlitzes ihre Kommunikationssubsysteme vollständig
abzuschalten. Nur innerhalb eines Empfangszeitschlitzes muss der empfangende Teil
des Kommunikationssubsystems eingeschaltet sein. Auf diese Weise kann der
193
Energieverbrauch reduziert werden, wie man am Term E Betrieb der Formel (1)
ersehen kann.
Außerdem gestattet eine zentralisierte Weiterleitung der Nachrichten eine
Bündelung mehrer Nachrichten, die nach oben weitergeleitet werden sollen, in einen
Sendezeitschlitz. Dies reduziert den Energieaufwand auf zweifache Weise.
Einerseits
wird
der
Protokollaufwand
niederer
Schichten
des
Kommunikationsprotokolls auf den Aufwand einer Nachricht reduziert, obwohl
mehrere Nachrichten so übertragen werden. Andererseits muss die zur Initialisierung
der Sendeelektronik aufzuwendende Energie nur einmal aufgebracht werden, statt für
jede Nachricht einzeln.
Wenn man bereit ist, die Trennung der Schichten des Kommunikationssubsystems
aufzuweichen, sind noch weitere Einsparungen möglich. Dazu müssen höhere
Protokollschichten die empfangenen Nachrichten analysieren und zusammenfassen.
Dabei können auch Verluste an Genauigkeit der Messdaten in Kauf genommen
werden. Danach müssen nur noch geringere Datenmengen über große Entfernungen
übertragen werden.
f) Neuauswahl der Astknoten
In der bisher vorgestellten Form führt das Routingprotokoll zu einer energetischen
Schonung der Blattknoten auf Kosten der Astknoten, die die ganze Bürde der
Kommunikation auf weite Entfernungen tragen und ihre Empfangselektronik dauernd
betreiben müssen.
Die Energiereserven des Astknoten wären bald verbraucht und nachdem die
Blattknoten bemerkten, dass der Astknoten ausgefallen ist, würde eine Neuauswahl
der Astknoten durchgeführt. Dabei fiele allerdings der Sensor des früheren
Astknotens, der aus Energiemangel den Betrieb eingestellt hat, weg. Außerdem führte
dieses Verfahren, da normalerweise nur ein Astknoten gleichzeitig ausfiele, zu einer
Aufsplitterung der Gruppen.
Deswegen gibt der alte Astknoten seine Eigenschaft, nachdem er einen gewissen
Energiebetrag verbraucht hat, einem Nachfolger höherer Energiereserven ab. Leider
ist es ungünstig, direkt den verbleibenden Energievorrat als Kriterium zu verwenden.
In diesem Falle entschiede der Astknoten jeder Gruppe unabhängig von anderen
Astknoten, wann er seine Rolle aufgeben möchte. Damit müsste sich gewöhnlich jede
Gruppe alleine reorganisieren, weil es unwahrscheinlich ist, dass Astknoten
benachbarter Gruppen innerhalb der kurzen Zeitspanne der Neuorganisation den
kritischen Punkt ihres Energievorrates erreicht.
Da die Anzahl der innerhalb einer Gruppe neu auftretenden Astknoten zufällig ist
und in dem Falle, dass sich 0 neue Astknoten bilden, eine neue Runde stattfindet,
bilden sich im Durchschnitt mehr als 1 neuer Astknoten. Das Sensornetzwerk
splitterte in immer mehr Gruppen auf, wodurch der Anteil der Astknoten auf
ungünstige Höhen anstiege.
Um das zu vermeiden, zwingt man alle Astknoten, ihre Rollen aufzugeben, indem
man festlegt, dass die Rollen nach einer bestimmten, für alle Knoten gleichen Zeit
aufgegeben werden müssen. So organisiert sich das ganze Sensornetzwerk neu.
194
Fig. 15. Zur Neuwahl geben die alten Astknoten ihre Funktion ab und neue Astknoten werden
zufällig ausgewählt. Alte Astknoten in purpur. Neue Astknoten in rot.
Fig. 16. Neubildung von Gruppen um die neuen Astknoten. Neue Astknoten in rot. Alte
Astknoten in purpur.
Es ist auch nicht sinnvoll, die Betriebsdauer des Sensornetzwerkes als absolute Zeit
zu benutzen. Wichtig für die Zwecke des Routingprotokolls ist nur, wie oft ein
Knoten bereits Astknoten gewesen ist. Man kann auch, wenn man davon ausgeht,
dass Kommunikation der Hauptenergieverbraucher eines Knoten ist, den
Energievorrat durch die Zeitdauer, die ein Knoten Astknoten gewesen ist, annähern.
195
Dadurch kommt man auf folgende Formeln für die Wahrscheinlichkeit, das ein
Knoten sich entscheidet Astknoten zu werden:
S= 0
, falls es in der Gruppe Knoten gibt, die seltener Astknoten waren
1
S=P / 1Ž P × r mod Ÿ, sonst
P
P
r
(3)
(4)
Anteil der Astknoten
Aktuelle Runde
So kann man erreichen, dass ein Knoten kein weiteres Mal Astknoten wird,
solange es Knoten gibt, die seltener Astknoten gewesen sind.
g) Parameter
Das Routingprotokoll hat drei vor dem Einsatz festzulegende Parameter.
Die Anzahl der Routingebenen.
Die Dauer der Rolle eines Astknotens.
Der Anteil der Astknoten.
Eine analytische Methode, optimale Parameter festzulegen, ist nicht bekannt.
Im praktischen Einsatz greift man zu Simulationen und Faustregeln.
h) Nachteile
Das Verfahren setzt voraus, dass jeder Knoten die Fähigkeit besitzt, Astknoten zu
werden. Es ist also nicht möglich, dieses Routingprotokoll einzusetzen, wenn das Ziel
der Nutzdaten nur von einem Teil der Knoten direkt erreicht werden kann, sei es, weil
es Hinderesse im Einsatzfeld gibt, oder weil das Sensornetzwerk zu groß ist.
Eine Aggregation der Nutzdaten in den Astknoten ist nicht in jedem Falle möglich,
entweder weil kein Verlust der Genauigkeit vertretbar ist, oder auch wenn die
Übertragungszeit so klein gehalten werden muss, dass Daten nicht
zwischengespeichert werden können.
Durch den Wechsel der Rolle als Astknoten tritt Kontrolldatenverkehr auf. Das
Protokoll wird ineffizient, wenn der Energieverbrauch durch Kontrolldatenverkehr
gegenüber dem Energieverbrauch durch Datenverkehr nicht mehr als klein betrachtet
werden kann.
i) Vorteile
Das Protokoll kommt gut mit ungleich verteiltem Nachrichtenaufkommen zurecht.
Mit einer Wahrscheinlichkeit von 1-a/n (a/n: Anteil der Astknoten) muss nur die
Sendeenergie für eine Übertragung über eine kurze Entfernung aufgewendet werden.
So kann die Belastung auf viele Batterien verteilt werden.
196
5) Routing auf Basis von Ereignissen mit Gerüchten
a) Einführung
Bis jetzt haben wir Protokolle betrachtet, die eine wichtige Eigenschaft mit
konventionellen Protokollen leitungsgebundener Systeme gemein haben: Die
grundlegenden Subjekte dieser Protokolle sind einzelne Knoten, die einzeln als solche
adressiert werden können.
Es ist jedoch auch möglich, ein Sensornetzwerk als ein großes Messgerät zu
betrachten, das beauftragt werden kann, bestimmte Messgrößen zu liefern. Die
grundlegende Einheit der Adressierung ist in diesem Falle nicht ein einzelner Knoten,
sondern Messdaten, die interessant sind, werden als solche beschrieben und dem Netz
übergeben.
b) Grundidee
Knoten, die ein Ereignis beobachten erzeugen Gerüchte, die Informationen über
Routen zu Ereignissen weiterverbreiten.
Ziele, im Folgenden Beobachter genannt, bringen Anfragen, die sich wie Gerüchte
verhalten, ins Sensornetzwerk. Eine funktionierende Route entsteht, wenn sich die
Wege passender Gerüchte und Anfragen kreuzen. Es handelt sich hierbei um ein
heuristisches Verfahren. Es gibt keine Garantie, dass eine Anfrage eine Route
hervorbringt. In solch einem Falle muss der Beobachter auf ein anderes Verfahren, in
der Regel Flooding der Anfrage, zurückgreifen.
Das Protokoll hat entfernte Ähnlichkeiten mit Shortest Hop First, funktioniert aber
ohne feste Routen oder Ziele (Beobachter) und ohne geographische Informationen.
Fig. 17. Grundlegende Funktionsweise des Routings auf Basis von Gerüchten. N
markiert das Ziel, von dem die Nachfrage ausgeht, welche einen der Pfade trifft, die
zu dem Gebiet, in dem ein Ereignis beobachtet wird, führen.
197
c) Initialisierung
Jeder Knoten muss seine Nachbarn kennen. Dazu macht er sich am Anfang seinen
Nachbarn durch eine Sendung bekannt. Jeder Knoten unterhält eine Liste seiner
Nachbarn.
d) Routen
Eine potentielle Route existiert in einem Knoten als Reihe in einer Tabelle von
Anfragen und Gerüchten mit Spalten für den nächsten Knoten und die Anzahl der
Übertragungen von Knoten zu Knoten. Bei sehr vielen Anwendungen kommt noch
ein Verfallsdatum hinzu.
e) Anfragen
Eine Anfrage beinhaltet eine Beschreibung des gesuchten Ereignisses und eine
Lebensdauer in Schritten, die bei jeder Weitergabe verringert wird. Die Beschreibung
eines Ereignisses ist anwendungsabhängig und kann meistens als Bitstring aufgefasst
werden.
Leider ist das nicht immer möglich, denn es muss entschieden werden, ob ein
Gerücht und eine Anfrage zueinander passen. Bei manchen Anwendungen kann dies
geschehen, indem man die Beschreibungen der Anfrage und des Gerüchts als
Bitstrings vergleicht. Bei anderen Anwendungen ist das nicht möglich und die
Schichtung des Kommunikationssystemes muss verletzt werden, um Beschreibungen
zu interpretieren.
f) Gerüchte
Gerüchte haben wie Anfragen eine Lebensdauer.
Im Unterschied zu Anfragen enthalten Gerüchte die Beschreibung aller Ereignisse,
denen das Gerücht auf seinem Wege durch das Sensornetzwerk begegnet ist, mit den
dazugehörigen Routen in Form ihres nächsten Knotens.
In jedem Knoten wird die Tabelle der Ereignisse im Gerücht mit der Tabelle des
Knotens abgeglichen. Dabei werden fehlende Ereignisse hinzugefügt und die bessere
Route doppelt vorhandener Ereignisse ausgewählt.
Je nach verwendeten unteren Schichten des Kommunikationssystemes hören
Knoten einige Nachrichten, also auch Gerüchte, die nicht direkt ihnen geschickt
werden, mit. Solche Gerüchte werden genutzt, indem ihnen in der Tabelle des
Knotens fehlende Ereignisse und bessere Routen, entnommen werden. Natürlich
dürfen sie nicht weitergegeben werden, um keine exponentielle Vermehrung von
Gerüchten auszulösen.
g) Wegewahl
198
Die Wahl des Weges einer Antwort, zu der immer eine Beschreibung vorliegt, und
einer Anfrage, zu der ein passendes Ereignis in der Tabelle vorliegt, ist trivial. Der
Knoten, dem die Nachricht zu senden ist, ist in der Tabelle verzeichnet.
Die anderen Fälle, ein Gerücht und eine Anfrage, zu der kein passendes Ereignis
vorliegt, sind komplexer. Sie müssen auf zufälliger Basis weitergegeben werden. Da
alle Knoten eines Sensornetzwerkes gleich sind, ist es nicht trivial, einen günstigen
nächsten Knoten auszuwählen.
Die Grundlage der Wegewahl beruht hier auf theoretischen geometrischen
Überlegungen. Zwei Geraden in einer Fläche schneiden sich entweder oder sind
parallel. Die Wege hier sind keine Geraden. Erstens haben sie durch die Lebensdauer
eine begrenzte Länge und, da Knoten nur durch einen unwahrscheinlichen Zufall in
gerader Linie liegen, sind sie auch krumm und machen Kurven. Das stellt die
Funktionstüchtigkeit des Verfahrens nicht in Frage. Im Gegenteil, Kurven erhöhen
die Wahrscheinlichkeit, dass Routen optimiert werden.
Trotzdem muss man darauf achten, dass sich Kurven nicht zu Schleifen oder, noch
schlimmer, Spiralen entwickeln, denn diese Wege haben geringe
Wahrscheinlichkeiten, sich zu schneiden.
Wenn die Knoten ihre geographische Lage kennten, wäre das kein Problem. Da
man die damit verbundenen, hohen, durch Einbau eines GPS-Empfängers in die
Knoten bedingten Kosten scheut, benutzt man die bei der Initialisierung aufgebauten
Nachbarschaftslisten. Jeder Knoten sendet seinen Nachbarn, entweder bei der
Initialisierung oder mit Gerüchten verbunden, die eigene Nachbarschaftsliste. Der
empfangende Knoten wählt aus seiner Nachbarschaftsliste einen Knoten, der nicht in
der erhaltenen Nachbarschaftsliste enthalten ist, wenn es möglich ist. Am Rande des
Sensornetzwerkes ist es nicht möglich und die Nachricht muss "reflektiert" werden.
h) Gerüchte erzeugen
Ein Knoten, der ein Ereignis misst, ist nicht gezwungen, sofort ein Gerücht zu
erzeugen. Er kann warten, bis ein Gerücht bei ihm eintrifft und es dann mitbenutzen.
Deswegen kann man einen zufallsgesteuerten Erzeugungsalgorithmus benutzen,
wobei man eventuell mit einer Zeitschranke, die nicht überschritten werden darf, und
Gewichtungen nach Anzahl und Alter neuer Ereignisse arbeitet.
i) Parameter
Es gibt lediglich zwei Parameter.
Die Kriterien, nach denen Gerüchte erzeugt werden. Sie hängen in hohem Maße von
den Anforderungen der Anwendung ab.
Die Lebensdauer der Anfragen und Gerüchte. Hier hat sich gezeigt, dass länger
lebende Gerüchte effizienter sind als mehr Gerüchte.
j) Nachteile
Das Verfahren ist probalistisch. Es kann nicht garantiert werden, dass eine Anfrage
beantwortet wird.
199
Auch ohne Anfragen werden Gerüchte erzeugt. Dieser Verkehr kann unnützen
Energieverbrauch bedeuten.
k) Vorteile
Das Verfahren arbeitet auch in Sensornetzwerken,
Maximalreichweite eines Knoten überschreitet.
Mehrere Beobachter bedeuten keinerlei Komplikation.
deren
Größe
die
6) Bewertungen
a) Allgemeines
Kein Protokoll kann alle Wünsche erfüllen, noch ist jedes Protokoll für jeden
Einsatzzweck geeignet.
Man kann die Eignung eines Protokolls am ehesten aus den Charakteristiken des
Datenverkehrs ablesen. Insbesondere ist wichtig, ob die Resultate einer Anwendung
als Ereignisse beschrieben werden können. Wenn nicht, verbietet sich der Einsatz
eines ereignisorientierten Protokolls.
Sind die Daten zusammenfassbar oder auf andere Weise noch im Sensornetzwerk
vorverarbeitbar, so dass sich das Datenvolumen oder die Anzahl der Nachrichten
verringern, sollte man diese Möglichkeit unbedingt nutzen.
b) Abhängigkeiten vom Datenverkehr
Grundsätzlich gibt es immer ein Mindestmaß Datenverkehr, unterhalb dessen
Flooding das günstigste Protokoll ist. Allerdings ist Flooding natürlich nur bei
ereignisorientierten Anwendungen oder Anweisungen an die Knoten möglich.
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Fig. 18. Gegenüberstellung der Effizienz einzelner Protokolle in Abhängigkeit der Anzahl zu
versendender Anfragen. Query Flooding: Anfragen fluten. Event Flooding: Ereignisse fluten.
Cross-Routing: Routing mit Gerüchten
Auch ist die Beziehung von Quelle und Ziel der Datenübertragungen wichtig. Bei
Anwendungen, bei denen Broadcast oder Multicast an größere Gruppen einen
bedeutenden Teil des Verkehrsaufkommens ausmachen, sind hierarchische Verfahren
nahezu unschlagbar.
V. Ausblick
Die Entwicklungen zeigen, dass sich das Bild der Sensornetze ändern wird. Manche
Sensoren sind schon jetzt so klein und effizient, dass sie mit einer Leistung von 100
Mikrowatt laufen können. So könnten sie sich bald Energiequellen wie
Temperaturschwankungen oder kinetische Energie zu Nutze machen, so dass sie
unabhängig von eigenen Batterien ungeahnte neue Möglichkeiten zur Anwendung in
sich tragen.
Ohne Frage werden die Sensornetzwerke auch in Zukunft ein bedeutsames Thema
bleiben, und in kaum einem anderen Gebiet wurden in den letzten Jahren wohl
vergleichbare Fortschritte gemacht. Dass dies so ist, verdanken wir vor allem dem
Militär. Doch schon längst hat diese Technik ihren Weg in das Zivilleben und sogar in
die Privatsphäre vieler Menschen gemacht. Bald werden viele dieser Anwendungen
selbstverständlich werden und nicht nur Thema der Forschung sein, sondern auch
einen großen Markt darstellen. Bleibt zu Hoffen, dass es der Wissenschaft gelingt,
trotz fließender Übergänge diese Grenzen so eindeutig wie möglich zu ziehen, so dass
sich nicht die Menschen selber zu Zielobjekten wandeln und sich plötzlich an der
Stelle des eingangs erwähnten Eichhörnchens wieder finden.
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